引黃工程中水泵磨蝕防護(hù)措施發(fā)展現(xiàn)狀綜述

毛潭+張廣濤+張勇杰+牛維嘉

[摘要]引黃工程中由于黃河水泥沙含量大，由此產(chǎn)生水泵磨蝕問題，嚴(yán)重影響取水工程。文章對(duì)現(xiàn)有水泵抗磨蝕措施及技術(shù)進(jìn)行了分析，并針對(duì)引黃工程中常用離心泵的磨蝕問題，提出改進(jìn)措施。

[關(guān)鍵詞]引黃工程；水泵；抗磨蝕

1前言

引黃工程中水泵面臨著嚴(yán)重的磨損和氣蝕問題。若不能解決水泵的磨蝕問題，就難以保證泵站長(zhǎng)期高效運(yùn)行。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)于水泵抗磨蝕問題進(jìn)行研究[1-4]。20世紀(jì)80年代，黃河水利科學(xué)院研究開發(fā)并成功推廣應(yīng)用環(huán)氧金剛砂涂護(hù)抗磨技術(shù) [5]，90年代環(huán)氧金剛砂涂料研究有了進(jìn)一步的研究與改進(jìn)，復(fù)合樹脂金剛砂抗磨涂料問世[6]。為實(shí)現(xiàn)抗磨蝕、延長(zhǎng)機(jī)件使用壽命的目的，還有很多其他技術(shù)也有使用，如改性聚氨酯抗磨蝕材料、改性超高分子量聚乙烯涂層及復(fù)合尼龍抗磨蝕涂層、超音速火焰噴涂防護(hù)技術(shù) [7]。筆者通過分析常用水泵抗磨蝕技術(shù)的應(yīng)用情況及存在的問題，對(duì)水泵磨蝕防護(hù)提出建議。

2水泵磨蝕問題分析

水泵磨蝕的主要原因有以下幾點(diǎn)：泵站揚(yáng)程較高，泥沙磨損，水泵易損件（葉輪 、密封環(huán)） 設(shè)計(jì)和制造存在的不足以及泵站設(shè)計(jì)、運(yùn)行存在較多的問題等。水泵的磨蝕由以上幾種因素綜合作用造成，其中最主要因素是揚(yáng)程和泥沙。黃河泥沙中成分比較堅(jiān)硬，而制造水輪機(jī)葉片的金屬硬度遠(yuǎn)小于沙粒硬度。在揚(yáng)程較高的前提下，泥沙磨損伴生氣蝕，氣蝕又加劇磨損，從而引發(fā)嚴(yán)重的磨蝕問題[8]。常見磨蝕部位有葉輪與泵殼，葉輪與密封環(huán)間隙等。

3常見水泵抗磨蝕防護(hù)措施

3.1合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及母體材料選擇

通過分析水輪機(jī)磨蝕的機(jī)理我們可知，泥沙磨蝕的強(qiáng)度與流速高、脫流、旋渦有很大聯(lián)系。不合理水輪機(jī)流道設(shè)計(jì)很大程度上加重磨蝕的形成[9]?？鼓ノg材料從總體上講應(yīng)具備結(jié)構(gòu)致密、韌性強(qiáng)、質(zhì)量均一、結(jié)晶顆粒細(xì)、拉力強(qiáng)、硬度高、疲勞極限高的綜合性能，同時(shí)材料應(yīng)該具備可加工性和可焊性[10]?？傊?，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及母體材料選擇是防護(hù)水輪機(jī)磨蝕重要因素，可以從根本上提升水輪機(jī)的抗磨蝕性能和使用壽命。

例如：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在軸套上增加一個(gè)防磨損套，使防磨損套與泵體之間保持相對(duì)靜止；在葉輪上增加耐磨口環(huán)，減少更換整個(gè)葉輪，從而達(dá)到更高的性價(jià)比。在材料選擇方面上，泵體材質(zhì)采用優(yōu)質(zhì)ZG310-570鑄鋼件，葉輪材質(zhì)采用ZG0Crl3Ni4Mo，耐磨口環(huán)采用ZG0Cr17Ni4Cu4Nb，軸采用2Cr13或ZG2Crl3等，都具有較好的強(qiáng)度和硬度，以及優(yōu)良的抗磨蝕性能[11]。

3.2常見抗磨蝕涂層防護(hù)措施

3.2.1合金粉末噴焊或噴涂

熱噴焊合金粉末是通過一定的方法將合金粉末熔融在母體表層內(nèi)的一種工藝，抗磨蝕效果明顯，而且價(jià)格較低、方法簡(jiǎn)單、結(jié)合力強(qiáng)、適合于現(xiàn)場(chǎng)加工、便于推廣的優(yōu)點(diǎn)，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[12]。同時(shí)該工藝也存在著不足之處，如在噴涂過程中會(huì)產(chǎn)生高溫，而高溫則很容易造成葉片變形。因此，在該工藝過程中，一定要要嚴(yán)格控制變形，否則會(huì)嚴(yán)重影響流態(tài)和機(jī)組效率。與此同時(shí)，噴涂合金粉末是一種物理結(jié)合，缺點(diǎn)是與本體附著力差，防護(hù)效果較差[10]。噴焊較適用于小型水力機(jī)械抗磨蝕的防護(hù)，當(dāng)應(yīng)用于大中尺寸薄工件時(shí)，會(huì)造成工件變形和厚大工件的噴焊層龜裂、脫落和噴焊工藝等問題 [13]。

3.2.2超高音速噴涂

超高音速噴涂[14]是將高速碳化鎢粒子（WC）沖擊水力機(jī)械表面并鑲嵌到母體中，從而得到底層與母體超高的結(jié)合強(qiáng)度，硬質(zhì)點(diǎn)嵌入過流部件本體表面的強(qiáng)度較高，表面整體性和型線較好。高速火焰噴涂技術(shù)[15]（HVOF）是超高音速噴涂的一種，很適合對(duì)水泵葉輪進(jìn)行抗磨蝕處理。但該技術(shù)在抗空蝕性能方面仍有不足：當(dāng)涂層破壞，母材則很快被磨蝕，出現(xiàn)較深的孔洞[16]。HVOF-WC噴涂技術(shù)復(fù)雜，70%的碳化鎢含量有利于提升水泵抗磨蝕能力，但是成本卻很高[17]。目前僅限于在大機(jī)組及磨蝕涂層試驗(yàn)機(jī)組進(jìn)行。

3.2.3金屬焊條堆焊

金屬焊條堆焊設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，目前仍是最普遍的抗磨損修復(fù)方法，常用于國(guó)內(nèi)一些中小型水電站中。我國(guó)用于水機(jī)磨蝕堆焊的焊條主要有[18]：高鉻鑄鐵型、Cr-Ni奧氏體不銹鋼型和低碳馬氏體不銹鋼型等。但是對(duì)于水力機(jī)械過流部件漿體，金屬焊條堆焊并不是完全適用。如焊條堆焊沖淡率大，焊層厚且不均勻，基體材料的可焊性要求高等[19]。

3.2.4非金屬涂層

水泵在非金屬材料方面[20]，先后使用環(huán)氧金剛砂漿、聚氨酯橡膠（德國(guó)）、熱噴涂尼龍、高分子聚乙烯等材料，多用于水機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪室、葉片正面、頭部等區(qū)。目前，國(guó)內(nèi)材料主要有環(huán)氧聚合物、復(fù)合尼龍和聚氨酯系列；國(guó)外主要是環(huán)氧和聚氨酯系列。環(huán)氧聚合物開始階段有比較嚴(yán)重的脫落現(xiàn)象，耐空蝕性能也較差，對(duì)中等空蝕的保護(hù)其仍存在不足[21]。改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、抗磨蝕性能好、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)[22]。但不適用于水泵泵軸與軸套、葉輪與口環(huán)之間的摩擦面的涂護(hù)[23]。

3.2.5涂層技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合

對(duì)于提高持續(xù)工作能力而言，合理的選材非常重要，與此同時(shí)，為了達(dá)到更好的效果可以結(jié)合其他的抗磨蝕技術(shù)[24]。如將板焊接葉輪與焊補(bǔ)修復(fù)及表面涂敷非金屬抗磨蝕材料技術(shù)相結(jié)合[25]。鋼板焊接葉輪技術(shù)是采用Q235鋼板熱壓焊接成型的葉輪，提高了水泵的抗磨蝕能力。針對(duì)葉片等過流表面，利用改性聚氨酯復(fù)合樹脂涂護(hù)技術(shù)對(duì)其表面進(jìn)行涂護(hù)，葉輪與口環(huán)相摩擦的表面同樣也可以進(jìn)行涂護(hù)，可有效提升葉輪抗磨蝕能力 [26]。延長(zhǎng)葉輪磨蝕時(shí)間，增加水泵抗磨蝕修復(fù)的時(shí)間間隔，降低水泵修復(fù)、維修成本，使水泵的持續(xù)工作能力大大增強(qiáng)。

3.3其他措施

越來越多的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備和新材料在水泵抗磨蝕中發(fā)揮作用，如用磨削機(jī)對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行的檢修技術(shù)[27]。減少過機(jī)泥沙也是防磨蝕的一種有效措施，不但能保證水電站的正常運(yùn)行，而且對(duì)機(jī)組的磨蝕也明顯的減少[25]。

4討論

面對(duì)引黃工程中水泵面臨著嚴(yán)重的磨損和氣蝕問題，必須采取有效的解決水泵的磨蝕問題的防護(hù)措施，只有這樣才能保證泵站長(zhǎng)期高效運(yùn)行。對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水泵防護(hù)措施進(jìn)行調(diào)查分析表明，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及母體材料選擇是防護(hù)水輪機(jī)磨蝕重要方法，可以從根本上提升機(jī)器抗磨性能和使用壽命。但是如何在選材和設(shè)計(jì)上提升水泵的持續(xù)使用能力問題仍需思考。涂層技術(shù)中合金粉末噴焊或噴涂?jī)r(jià)格較低、方法簡(jiǎn)單，適用于小型的水泵的抗磨蝕；超高音速噴涂可實(shí)現(xiàn)更高的硬度和更好的耐磨損性，抗空蝕能力相對(duì)稍差，工藝較嚴(yán)格，僅限于在大機(jī)組及磨蝕涂層試驗(yàn)機(jī)組進(jìn)行；金屬焊條堆焊技術(shù)簡(jiǎn)單，但沖淡率大，適用于中小型泵站葉片及葉輪室的局部修補(bǔ)；環(huán)氧樹脂涂層價(jià)格較低，適用于氣蝕不太嚴(yán)重的條件；改性樹脂涂層材料價(jià)格較低抗磨蝕能力較強(qiáng)，適用于過流面和氣蝕破壞的地方，不適用于水泵泵軸與軸套葉輪與口環(huán)等摩擦面的涂護(hù)；Q235鋼板焊接葉輪與焊補(bǔ)修復(fù)，降低成本提升持續(xù)使用能力，適用于大中型泵站葉輪抗磨蝕的保護(hù)處理；減少過機(jī)泥沙和先進(jìn)修復(fù)工具分別通過減少過泵泥沙量和提升修復(fù)效率來增強(qiáng)水泵持續(xù)使用能力。

目前在引黃工程中常用SLOW泵型單級(jí)雙吸中開蝸殼式離心泵，經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有的水泵抗磨蝕防護(hù)措施分析，筆者提出改進(jìn)措施：耐磨環(huán)可以采取選用表面碳氮共滲的1Cr13或2Cr13不銹鋼做耐磨環(huán)從材料上提升耐磨蝕能力；Q235鋼板熱壓焊接成型的葉輪，提高水泵的抗磨蝕能力；葉片等過流表面采用改性聚氨酯復(fù)合樹脂涂護(hù)技術(shù)，葉輪與口環(huán)相摩擦的表面采用合金粉末噴涂（焊）技術(shù)進(jìn)行涂護(hù)。泵體磨損采用金屬焊條堆焊。

5結(jié)論與展望

本文總結(jié)了水泵磨蝕的原因及機(jī)理，同時(shí)分析了國(guó)內(nèi)常見水泵磨蝕防護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)水泵防護(hù)措施選用提出初步的建議。毫無疑問水泵磨蝕涉及方面極其廣泛，本文仍有很多方面有待改進(jìn)。如黃河上水電站的水輪機(jī)磨蝕規(guī)律及特點(diǎn)大致相同，但由于水泵選用、地理環(huán)境、泵站規(guī)模等方面有所差異。因而在選用防護(hù)措施時(shí)需要更有針對(duì)性，從而達(dá)到更好的抗磨蝕效果。不僅如此很多防護(hù)技術(shù)如超高音速噴涂、非金屬涂層等技術(shù)有著很大的發(fā)展空間。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來必將在抗磨蝕中發(fā)揮越來越大的作用。

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